Технологія вимірювання феромагнітними зондами. Магнітометрія У найпростішому варіанті феррозонд складається з феромагнітного сердечника і знаходяться на ньому двох котушок

Побудуємо векторну діаграму ідеального трансформатора при холостому ході (ріс.15.34).

Сила, що намагнічує при холостому ході

Складемо тепер схему заміщення ідеального трансформатора при його навантаженні (ріс.15.35).

Якщо до затискачів вторинної обмотки підключити навантаження з опором Z н , То в ній буде проходити струм , Який, в свою чергу, буде прагнути зменшити магнітний потік , А це призведе до зменшення е.р.с. , внаслідок чого струм зросте до такої величини, при якій магнітний потік придбає первісне значення і буде виконуватися рівняння (15.35).

Таким чином, поява струму у вторинному контурі призводить до збільшення струму в первинному контурі. У навантаженому трансформаторі магнітний потік в сердечнику дорівнює магнітному потоку при холостому ході, тобто завжди Ф \u003d Const. При навантаженні магнітний потік створюється під дією сил, що намагнічують первинної і вторинної обмоток:

Побудуємо векторну діаграму ідеального трансформатора при навантаженні (ріс.15.36).

Перетворимо схему заміщення ідеального трансформатора, для чого позбудемося індуктивного зв'язку. Якщо з'єднати однойменні затискачі обмоток трансформатора між собою, то режим роботи трансформатора не зміниться.

Розглянемо спочатку индуктивно пов'язані елементи, які тепер мають спільну точку. Коефіцієнт зв'язку двох елементів в даному випадку дорівнює одиниці, оскільки весь магнітний потік повністю зчеплений з витками первинної та вторинної обмоток, тобто

тому, з огляду на, що w 1 = w 2, знаходимо:

Замінимо тепер частина схеми з індуктивно пов'язаними елементами із загальною точкою (ріс.15.37 а) На еквівалентну схему без індуктивного зв'язку (ріс.15.37 б).

;

;

З урахуванням знайденого схема набуває вигляду, показаний на ріс.15.37 в, А схема заміщення ідеального трансформатора - вид, зображений на ріс.15.38.

Якщо тепер врахувати активні і індуктивні опори розсіювання обох обмоток, то для трансформатора, у якого w 1 = w 2, отримаємо схему заміщення, наведену на ріс.15.39.

Запишемо рівняння первинного і вторинного контурів ланцюга:

Побудуємо векторну діаграму ланцюга (ріс.15.40).

Цей прилад вимірює магнітне поле Землі в конкретній точці. При переміщенні приладу поблизу феромагнітних матеріалів (в нашому випадку сталь, чавун), фіксується зміна магнітного поля в порівнянні з фоновим. Прилади цієї групи підходять для пошуку великих чавунних і сталевих об'єктів (танки, паровози, автомобілі). З принципу роботи магнітометра випливає наступна особливість: ступінь спотворення магнітного поля залежить, в основному, від маси об'єкта. Таким чином, на танк і на стопку рейок такої ж ваги магнітометр спрацює однаково. Отже, магнітометр підходить і для пошуку складів зброї і боєприпасів. На кольорові метали магнітометр не реагує.

Основні поняття

магнітометр - прилад для вимірювання характеристик магнітного поля і магнітних властивостей речовин (магнітних матеріалів). Залежно від обумовленої величини, розрізняють прилади для вимірювання: напруженості поля (ерстедметри), напрямки поля (інклінатор і деклінатори), градієнта поля (градієнтометри), магнітної індукції (тесламетри), магнітного потоку (веберметри, або флюксметри), коерцитивної сили (Коерцитиметри ), магнітної проникності (мю-метри), магнітної сприйнятливості (каппа-метри), магнітного моменту.

У пошукових цілях використовуються тесламетриі градієнтометри. Основна ідея використання магнитометра для пошуку залізовмісних об'єктів полягає в наступному. Як відомо, Земля має власним магнітним полем. Величина і напрямок цього поля практично постійні на досить великих площах. Однак, поблизу феромагнітного об'єкту магнітне поле змінюється, як за напрямком, так і за величиною. Зафіксувавши за допомогою магнітометра зміна магнітного поля, подібний об'єкт можна виявити. Мало того, при застосуванні методів розрахунку, що використовуються в геофізики, можна розрахувати розміри об'єкта і глибину, на якій він знаходиться.

Що говорить нам геофізика? На полюсах вертикальні складові магнітної індукції приблизно рівні 60 мкТл, а горизонтальні - нулю. На екваторі горизонтальна складова приблизно дорівнює 30 мкТл, а вертикальна - нулю. Ще деякі цифри: залізний об'єкт вагою 1 фунт (453 грами), на відстані 3 м змінює магнітне поле на 1 нТл. Таким чином, пристойний магнітометр повинен вимірювати магнітне поле в межах 30 000 - 60 000 нТл з точністю до 1 нТл.

Принцип роботи

Основні датчики, що застосовуються в магнітометри:

Принцип дії оптико-механічних магнітометрів аналогічний роботі компаса. Чутливим елементом (датчиком) таких приладів є постійний магніт, який може вільно обертатися. Залежно від орієнтації осі обертання постійного магніту, його магнітного моменту і напруженості магнітного поля Землі постійний магніт займає певне положення щодо вертикалі або по горизонталі. Зміна напруженості магнітного поля Землі призводить до відповідної зміни кута нахилу постійного магніту (за інших рівних умов). Для підвищення точності визначення кута нахилу системи застосовують спеціальні оптичні устройства.Для зниження похибки при орієнтації по магнітному меридіану використовують компенсаційний спосіб вимірювань. Для цього в приладі є компенсаційний магніт, жорстко пов'язаний з відлікової шкалою. Плавне компенсація здійснюється обертанням цього магніту до тих пір, поки постійний магніт встановиться горизонтально. Момент компенсації фіксується за допомогою особливої \u200b\u200bоптичної системи шляхом поєднання відбитого від дзеркала на магніті і нерухомого горизонтального індексів. Для розширення меж вимірювання ΔZ існує другий, так званий діапазонний магніт ступінчастою компенсації. Похибка вимірювань таким приладом становить 2-5 нТл.

Основою конструкції феррозонда (чутливого елемента) ферозондового магнитометра служить електрична котушка, намотана на подовжений стрижень з феромагнетика, що володіє малою коерцитивної силою і великою магнітною проникністю в слабких магнітних полях (наприклад, зі сплаву заліза і нікелю - пермаллоя). Під час відсутності зовнішнього магнітного поля при пропущенні через генераторну (первинну) котушку змінного електричного струму частотою f і амплітудою, достатньою для створення поля збудження, що перевищує рівень насичення сердечника, в вимірювальної (вторинної) котушці виникає ЕРС подвоєною частоти 2f. При наявності зовнішнього постійного магнітного поля, складова якого вздовж осі стрижня відмінна від нуля, в наведеної ЕРС буде переважати частота, що збігається з частотою поля збудження f. Феррозонд магнитометра складається з двох однакових пермаллоєвих стрижнів, розташованих паралельно один одному і орієнтованих уздовж вимірюваної складової магнітного поля Землі. Обмотки котушок порушення з'єднані послідовно таким чином, щоб змінне поле в двох сердечниках було направлено протилежно. Для вимірювання зовнішнього магнітного поля (його складової, спрямованої уздовж осі стрижнів) зазвичай використовують компенсаційний метод, що полягає в компенсації постійного магнітного поля Землі полем постійного регульованого струму. За величиною струму компенсації судять про напруженість магнітного поля Землі уздовж осі феррозонда. До таких приладів відноситься аеромагнітометр АМФ-21. За рахунок похибки в орієнтуванні феррозонда похибка зйомки таким магнітометром досягає десятків нанотесла. При свердловинних роботах застосовують свердловинний варіант ферромагнітометра (наприклад, ТСМК-30), що дозволяє вимірювати складові магнітного поля AZ, АХ, АУ з похибкою до ± 100 нТл.

Фірмою Precision Navigation Inc. (США) розроблений вдосконалений варіант феррорезонансного датчика, який отримав найменування магнітоіндуктівного датчика - Magneto-Inductive (MI) sensors. Датчик являє собою мікромініатюрного котушку індуктивності з феромагнітним сердечником. Котушка містить всього одну обмотку і реєструє магнітне поле в напрямку тільки однієї з осей.

Датчик холу працює, приблизно, в такий спосіб (див. малюнок): якщо через напівпровідникову пластину в напрямку A-B пропустити струм, то при наявності магнітного поля напруженістю H, спрямованого перпендикулярно площини пластини, на краях пластини E-F виникне ЕРС. Величина, ЕРС залежить від напруженості магнітного поля. Чутливість магнітометрів з датчиками Холла близько 10 нТл.

магніторезістори

Магніторезістори (Див. Рис.) Містить напівпровідникову пластину 2, розташовану на підкладці 1 з анізотропного високоефективного феромагнетика. Принцип роботи Магніторезістори полягає в наступному: в ферромагнетике сформована доменна структура, по крайней мере, з двох доменів. Намагніченості в доменах нормальні площині підкладки і протилежні одна одній. Пластина розташовується уздовж доменів з однаковим напрямком намагніченості. Доменні структури феромагнітної підкладки створюють початкове магнітне поле в напівпровідниковій пластині, збільшуючи її питомий опір і зміщуючи робочу точку. При приміщенні Магніторезістори в вимірюваний магнітне поле, воно призводить до додаткового зміни питомого опору. Поріг чутливості Магніторезістори становить близько 0,1 нТл.

Принцип дії протонних або ядернихмагнітометрівзаснований на явищі вільної прецесії протонів в земному магнітному полі. Після певного електромагнітного впливу на протонсодержащій датчик протони прецессируют навколо напрямку земного магнітного поля з кутовою швидкістю ω, пропорційної повної напруженості магнітного поля Землі Т: ω \u003d aT, де a - коефіцієнт пропорційності, який дорівнює гіромагнітного відношення ядра (відношенню магнітного моменту ядра до механічного) . Протонний магнітометр складається з магніточутливого блоку або датчика (протонсодержащій посудину з водою, спиртом, бензолом і т. П., Навколо якого намотані збудлива і вимірювальна котушки); сполучних проводів; електронного блоку (передпідсилювач, схема комутації, умножитель частоти, частотомір і світловий індикатор); реєструючого пристрою і блоку живлення. Робочий цикл, т. Е. Час визначення значень магнітного поля в кожній точці, складається з часу поляризації датчика (для води воно становить 3 8 с), часу перемикання датчика і часу визначення частоти сигналу, наведеного в котушці датчика (0,1 0,4 с). Залежно від протонсодержащего речовини і точності визначення частоти прецесії робочий цикл складає 1-10 с. При невеликій швидкості руху носія магнитометра (наземний або морської варіанти) дані про магнітне поле Землі Т отримують практично безперервно. При великій швидкості, наприклад при швидкості літака 350 км / год, відстань між вимірами становить 300 м. За допомогою протонного магнітометра можна проводити магнітну зйомку з використанням металевих носіїв - кораблів або літаків, що володіють власним магнітним полем. При цьому датчик магнітометра буксирують на кабелі, довжина якого повинна в кілька разів перевищувати поздовжні розміри носія. За допомогою протонного магнітометра дискретно (1 раз в 1-10 с) вимірюють абсолютне значення магнітної індукції геомагнітного поля з похибкою ± 1-2 нТл при низькій чутливості (± 45 °) до орієнтації датчика по магнітному меридіану, незалежності від температури і часу (відсутній зміщення нуля). Протонні магнітометри використовують при наземних (наприклад, вітчизняний магнітометр ММП-203) і морських (ММП-3) зйомках, рідше при повітряних зйомках (МСС-214) і свердловинних спостереженнях.

В квантовихмагнітометри, Призначених для вимірювання абсолютних значень модуля індукції магнітного поля, використовують так званий ефект Зеемана. В електронній структурі атомів, що володіють магнітним моментом, при попаданні в магнітне поле відбувається розщеплення енергетичних рівнів на підрівні, з різницею енергії і, відповідно, частотою випромінювання пропорційною модулю повного вектора магнітної індукції в точці спостереження. Чутливим елементом магнитометра є посудину, в якому є пари цезію, рубідію або гелію. В результаті спалаху монохроматичного світла (метод оптичного накачування) електрони парів переводяться з одного енергетичного підрівня на інший. Повернення їх на колишній рівень після закінчення накачування супроводжується випромінюванням енергії з частотою, пропорційною величиною магнітного поля. За допомогою квантового магнітометра вимірювання Т проводять з похибкою ± (0,1-1) нТл при слабкій чутливості до орієнтації датчика, високій швидкодії і стабільності показань (незначне зміщення нуля). Основними вітчизняними квантовими магнітометрами є прилади наступних марок: наземні (пішохідні) М-33 і ММП-303, морський КМ-8, аеромагнітометр КАМ-28. У магнітометри для зйомки в русі (морських, повітряних або автомобільних) реєстрацію магнітної індукції ведуть автоматично, практично безперервно. Профілі прив'язують різними способами (радіонавігаційними, за допомогою аерофотознімань і т. П.). Результати спостережень представляють іноді в аналоговій формі у вигляді магнітограми, але частіше - в цифровій формі, що забезпечує подальшу обробку інформації на бортових ЕОМ або в експедиційних обчислювальних центрах.

Ферозондовий перетворювач магнітного поля, або феррозонд, призначений для вимірювання та індикації постійних і повільно мінливих магнітних полів і їх градієнтів. Дія феррозонда засноване на зміні магнітного стану феромагнетика під впливом двох магнітних полів різних частот.

На рис. схематично показані деякі варіанти конструкцій феррозондов.

У найпростішому варіанті феррозонд складається з феромагнітного сердечника і знаходяться на ньому двох котушок:

котушки збудження, що живиться змінним струмом

і вимірювальної (сигнальної) котушки.

Сердечник феррозонда виконується з матеріалів з високою магнітною проникністю.

На котушку збудження від спеціального генератора подається змінна напруга з частотою від 1 до 300 кГц (в залежності від рівня параметрів і призначення приладу).

За відсутності вимірюваного магнітного поля сердечник під дією змінного магнітного поля Н, створюваного струмом в котушці збудження, перемагнічується по симетричному циклу.

Зміна магнітного поля, викликане перемагнічуванням сердечника по симетричній кривій, індукує в сигнальній котушці ЕРС, що змінюється за гармонійним законом.

Якщо одночасно на сердечник діє вимірюється постійне або повільно змінюється магнітне поле Але, то крива перемагнічування змінює свої розміри і форму і стано- вится несиметричною. При цьому змінюється величина і гармонійний склад ЕРС в сигнальної котушці.

Зокрема, з'являються парні гармонійні складові ЕРС, величина яких пропорційна напруженості вимірюваного поля і які відсутні при симетричному циклі перемагнічування.

Феррозонди поділяються на:

стрижневі одноелементні (рис. а)

Диференціальні з розімкненим сердечником (ріс.б)

Диференціальні із замкнутим (кільцевих) сердечником (ріс.в).

Диференціальний феррозонд (рис. Б, в), як правило, складається з двох сердечників з обмотками, які з'єднані так, що непарні гармонійні складові практично компенсуються. Тим самим спрощується вимірювальна апаратура і підвищується чутливість феррозонда.

Феррозонди відрізняються дуже високою чутливістю до магнітного поля.

Вони здатні реєструвати магнітні поля з напруженістю до 10 -4 -10 -5 А / м (~ 10 -10 -10 -11 Тл).

Сучасні конструкції феррозондов відрізняються компактністю.

Обсяг феррозонда, яким комплектуються вітчизняні магнітометри Г73, становить менше 1 см 3, а трикомпонентний феррозонд для магнитометра Г74 вписується в куб зі стороною 15 мм.

Як приклад на рис. приведена конструкція і габарити мініатюрного стрижневого феррозонда.

Конструкція феррозонда досить проста і не вимагає особливих пояснень.

Його сердечник виготовлений з пермаллоя.

Він має змінну по довжині поперечний переріз, що зменшується приблизно в 10 разів в центральній частині сердечника, на яку намотано вимірювальна обмотка і обмотка збудження.

Така конструкція забезпечує при порівняно невеликій довжині (30 мм) високу магнітну проникність (1, 5x10 5) і мале значення напруженості поля насичення в центральній частині сердечника, що призводить до збільшення фазової і тимчасової чутливості феррозонда. За рахунок цього поліпшується і форма вихідних імпульсів в вимірювальної обмотці феррозонда, що дозволяє знизити похибки схеми формування сигналу «час-імпульс».

Діапазон вимірювання ферозондових перетворювачів типової конструкції становить ± 50 ... ± 100 А / м (± 0, 06 ... ± 0, 126 мТл).

Щільність магнітного шуму в смузі частот до 0,1 Гц для феррозондов зі стрижневими сердечниками становить 30 - 40 мкА / м (м x Гц 1/2) в залежності від поля збудження, зменшуючись зі збільшенням останнього. У смузі частот до 0,5 Гц щільність шуму виявляється в 3 - 3,5 рази вище.

магнітометр призначений для вимірювання індукції магнітного поля. У магнітометри використовується опорна магнітне поле, яке дозволяє за допомогою тих чи інших фізичних ефектів перетворити вимірюється магнітне поле в електричний сигнал.
Прикладне застосування магнітометрів для виявлення масивних об'єктів з феромагнітних (найчастіше, сталевих) матеріалів засноване на локальному спотворенні цими об'єктами магнітного поля Землі. Перевагою використання магнітометрів в порівнянні з традиційними металодетекторами складається в більшої дальності виявлення.

Ферозондові (векторні) магнітометри

Одним з видів магнітометрів є . Феррозонд був винайдений Фрідріхом Ферстером ( )

У 1937 році і служить для визначення вектора індукції магнітного поля.

конструкція феррозонда

одностержневой феррозонд

Найпростіший феррозонд складається з пермаллоєвого стрижня, на якому розміщена котушка збудження (( drive coil), Що живиться змінним струмом, і вимірювальна котушка ( detector coil).

пермалой - сплав з магнітно-м'якими властивостями, що складається з заліза і 45-82% нікелю. Пермалой володіє високою магнітною проникністю (максимальна відносна магнітна проникність ~ 100 000) і малої коерцитивної силою. Найпопулярнішою маркою пермаллоя для виготовлення феррозондов є 80НХС - 80% нікелю + хром і кремній з індукцією насичення 0,65-0,75 Тл, застосовується для сердечників малогабаритних трансформаторів, дроселів і реле, що працюють в слабких полях магнітних екранів, для сердечників імпульсних трансформаторів, магнітних підсилювачів і безконтактних реле, для сердечників магнітних головок.
Залежність відносної магнітної проникності від напруженості поля для деяких сортів пермаллоя має вигляд -

Якщо на сердечник накладається постійне магнітне поле, то в вимірювальної котушці з'являється напруга парних гармонік, величина якого служить мірою напруженості постійного магнітного поля. Ця напруга фільтрується і вимірюється.

двухстержневой феррозонд

Як приклад можна привести пристрій, описане в книзі Караліс В.Н. "Електронні схеми в промисловості" -



Прилад призначений для вимірювання постійних магнітних полів в діапазоні 0,001 ... 0,5 Ерстед.
Обмотки збудження датчика L1 і L3 включені зустрічно. вимірювальна обмотка L2 намотана поверх обмоток збудження. Обмотки збудження живляться струмом частоти 2 кГц від двотактного генератора з індуктивним зворотним зв'язком. Режим генератора стабілізується по постійному струму дільником на резисторах R8 і R9.

феррозонд з тороїдальним сердечником
Одним з популярних варіантів конструкції ферозондового магнитометра є феррозонд з тороїдальним сердечником ( ring core fluxgate) -

У порівнянні зі стрижневими феррозондамі така конструкція має менші шуми і вимагає створення набагато меншою магніторушійної сили.

Цей датчик являє собою обмотку збудження, Намотану на тороїдальним сердечнику, по якій протікає змінний струм з амплітудою, достатньою для введення сердечника в насичення, і вимірювальну обмотку, З якої знімається змінна напруга, яке і аналізується для вимірювання зовнішнього магнітного поля.
Вимірювальна обмотка намотується поверх тороїдального сердечника, охоплюючи його повністю (наприклад, на спеціальному каркасі) -


Ця конструкція аналогічна первісної конструкції феррозондов (конденсатор доданий для досягнення резонансу на другій гармоніці) -

Застосування протонних магнітометрів
Протонні магнітометри широко використовуються в археологічних дослідженнях.
Протонний магнітометр згадується в науково-фантастичної новелі Майкла Крайтона "У пастці часу" ( " Timeline") -
He pointed down past his feet. Three heavy yellow housings were clamped to the front struts of the helicopter. "Right now we're carrying stereo terrain mappers, infrared, UV, and side-scan radar." Kramer pointed out the rear window, toward a six-foot-long silver tube that dangled beneath the helicopter at the rear. "And what's that?" "Proton magnetometer." "Uh-huh. And it does what?" "Looks for magnetic anomalies in the ground below us that could indicate buried walls, or ceramics, or metal."

цезієві магнітометри

Різновидом квантових магнітометрів є атомні магнітометри на лужних металах з оптичним накачуванням.

цезієвий магнітометр G-858

магнітометри Оверхаузера

твердотільні магнітометри

Найбільш доступними є магнітометри, вбудовані в смартфони. для Android хорошим додатком, що використовують магнітометр, є . Сторінка цього додатка - http://physics-toolbox-magnetometer.android.informer.com/.

Налаштування магнітометрів

Для тестування феррозонда можна використовувати. Котушки Гельмгольца використовуються для отримання практично однорідного магнітного поля. В ідеальному випадку вони представляють собою два однакових кільцевих витка, з'єднаних між собою послідовно і розташованих на відстані радіуса витка один від одного. Зазвичай котушки Гельмгольца складаються з двох котушок, на яких намотано кілька витків, причому товщина котушки повинна бути значно меншою їх радіусу. У реальних системах товщина котушок може бути порівнянна з їх радіусом. Таким чином, можна вважати системою кілець Гельмгольца дві співвісно розташованих однакових котушки, відстань між центрами яких приблизно дорівнює їх середньому радіусу. Таку систему котушок називають також розщеплений соленоїд ( split solenoid).

У центрі системи є зона однорідного магнітного поля (магнітне поле в центрі системи в обсязі 1/3 радіусу кілець однорідно в межах 1%), Що може бути використано для вимірювальних цілей, для калібрування датчиків магнітної індукції і т. Д.

Магнітна індукція в центрі системи визначається як $ B \u003d \\ mu _0 \\, (\\ left ((4 \\ over 5) \\ right)) ^ (3/2) \\, (IN \\ over R) $,
де $ N $ - число витків в кожній котушці, $ I $ - струм через котушки, $ R $ - середній радіус котушки.

Також котушки Гельмгольца можуть бути використані для екранування магнітного поля Землі. Для цього найкраще використовувати три взаємно перпендикулярні пари кілець, тоді не має значення їх орієнтація.

Пропонований вашій увазі диференційний магнітометр може бути дуже корисний для пошуку великих залізних предметів. Таким приладом практично неможливо шукати скарби, проте він незамінний при пошуку неглибоко затонулих танків, кораблів та інших зразків військової техніки.

Принцип дії диференціального магнитометра дуже простий. Будь-який предмет з феромагнетика спотворює природне магнітне поле Землі. До таких предметів відноситься все, виготовлене з заліза, чавуну і сталі. В значній мірі вплинути на спотворення магнітного поля може і власна намагніченість предметів, яка часто має місце. Зафіксувавши відхилення напруженості магнітного поля від фонового значення, можна зробити висновок про наявність поблизу вимірювального приладу предмета з феромагнітного матеріалу.

Спотворення магнітного поля Землі далеко від мішені мало, і воно оцінюється по різниці сигналів від двох рознесених на деяку відстань датчиків. Тому прилад і названий диференціальним. Кожен датчик вимірює сигнал, пропорційний напруженості магнітного поля. Найбільшого поширення набули феромагнітні датчики і датчики на основі магнетон прецесії протонів. В даному приладі використовуються датчики першого типу.

Основою феромагнітного датчика (званого також ФЕРОЗОНДОВИЙ) є котушка з сердечником з феромагнітного матеріалу. Типова крива намагнічування такого матеріалу добре відома з шкільного курсу фізики і має з урахуванням впливу магнітного поля Землі такий вигляд, показаний на рис. 29.

Мал. 29. Крива намагнічування

Котушка збуджується змінним синусоїдальним сигналом несучої частоти. Як видно з рис. 29, зміщення кривої намагнічування феромагнітного сердечника котушки зовнішнім магнітним полем Землі призводить до того, що індукція поля і пов'язане з ним напруга на котушці починають спотворюватися несиметричним чином. Іншими словами, напруга датчика при синусоидальном струмі несучої частоти буде відрізнятися від синусоїди більш "приплющеними" верхівками полуволн. І спотворення ці будуть несиметричні. Мовою спектрального аналізу це означає появу в спектрі вихідної напруги котушки парних гармонік, амплітуда яких пропорційна напруженості магнітного поля зсуву (поля Землі). Ось ці парні гармоніки і треба "виловити".

Мал. 30. Диференціальний феромагнітний датчик

Перш ніж згадати природним чином напрошується для цієї мети синхронний детектор, що працює з опорним сигналом подвоєною несучої частоти, розглянемо конструкцію ускладненого варіанту феромагнітного датчика. Він складається з двох сердечників і трьох котушок (рис. 30). За своєю суттю, це диференційний датчик. Однак для простоти далі в тексті не будемо називати його диференціальним, так як сам магнітометр і без того вже - диференційний (©).

Конструкція складається з двох ідентичних феромагнітних сердечників з ідентичними котушками, розташованими паралельно поруч один з одним. По відношенню до збудливій електричному сигналу опорної частоти вони включені зустрічно. Третя котушка являє собою обмотку, намотану поверх двох складених разом перших двох котушок з сердечниками. При відсутності зовнішнього смещающего магнітного поля електричні сигнали першої та другої обмоток симетричні і в ідеальному випадку діють так, що вихідний сигнал в третій обмотці відсутня, так як магнітні потоки через неї повністю компенсуються.

При наявності зовнішнього смещающего магнітного поля картина змінюється. То один, то інший сердечник на піку відповідної напівхвилі "залітає" в насичення глибше, ніж зазвичай внаслідок додаткового впливу магнітного поля Землі. В результаті на виході третьої обмотки з'являється сигнал неузгодженості подвоєною частоти. Сигнали основної гармоніки в ідеалі там повністю компенсуються.

Зручність розглянутого датчика полягає в тому, що його котушки можна включити для підвищення чутливості в коливальні контуру. Першу і другу -в коливальний контур (або контуру), налаштований на несучу частоту. Третю - в коливальний контур, налаштований на другу гармоніку.

Описаний датчик має яскраво виражену діаграмою спрямованості. Його вихідний сигнал максимальний при розташуванні поздовжньої осі датчика уздовж силових ліній зовнішнього постійного магнітного поля. Коли поздовжня вісь перпендикулярна силовим лініям - вихідний сигнал дорівнює нулю.

Датчик розглянутого типу, особливо спільно з синхронним детектором, може успішно працювати як електронний компас. Його вихідний сигнал після випрямлення пропорційний проекції вектора напруженості магнітного поля Землі на вісь датчика. Синхронне детектування дозволяє дізнатися і знак цієї проекції. Але навіть і без знака - зорієнтувавши датчик по мінімуму сигналу, отримаємо напрям на захід або на схід. Зорієнтувавши по максимуму - отримаємо напрям магнітної силової лінії поля Землі. У середніх широтах (наприклад, в Москві) вона йде похило і "встромляється" в землю в напрямку на північ. За кутку магнітного відхилення можна приблизно оцінити географічну широту місцевості.

Диференціальні феромагнітні магнітометри мають свої переваги і недоліки. До переваг відноситься простота приладу, він не складніше радіоприймача прямого посилення. До недоліків відноситься трудомісткість виготовлення датчиків - крім акуратності потрібно абсолютно точний збіг кількості витків відповідних обмоток. Похибка один-два витка може сильно знизити можливу чутливість. Іншим недоліком є \u200b\u200b"компасні" приладу, т. Е. Неможливість повної компенсації поля Землі вирахуванням сигналів від двох рознесених датчиків. На практиці це призводить до помилкових сигналів при поворотах датчика навколо осі, перпендикулярної поздовжньої.

практична конструкція

Практична конструкція диференціального феромагнітного магнитометра була реалізована і випробувана в макетному варіанті без спеціальної електронної частини для звукової індикації, з використанням тільки микроамперметра з нулем посередині шкали. Схема звукової індикації може бути взята з опису металошукача за принципом "передача-прийом". Прилад має наступні параметри.

Основні технічні характеристики
Напруга живлення 15 ... 18 В
Споживаний струм не більше 50 мА
Глибина виявлення:
пістолет 2 м
гарматний ствол 4 м
танк 6 м

Структурна схема

Мал. 31. Структурна схема диференціального феромагнітного магнитометра

Структурна схема показана на рис. 31. Стабілізований кварцом задає генератор видає синхроімпульсів тактової частоти для формувача сигналів.

На одному його виході присутній меандр першої гармоніки, що надходить на підсилювач потужності, збудливий випромінюють котушки датчиків 1 і 2. Інший вихід формує меандр опорної подвоєною тактової частоти зі зсувом 90 ° для синхронного детектора. Різницевий сигнал з вихідних (третє) обмоток датчиків посилюється в приймальному підсилювачі і випрямляється синхронним детектором. Випрямлений постійний сигнал можна реєструвати мікроамперметром або описаними в попередніх розділах пристроями звукової індикації.

Принципова схема

Принципова схема диференціального феромагнітного магнитометра зображена на рис. 32 - частина 1; задає генератор, формувач сигналів, підсилювач потужності і випромінюють котушки, рис. 33 - частина 2: прийомні котушки, приймальний підсилювач, синхронний детектор, індикатор і блок живлення.

Мал. 32. Принципова електрична схема - частина I

Генератор, що задає (РІС. 32)

Генератор, що задає зібраний на інвертора D1.1-D1.3. Частота генератора стабілізована кварцовим або п'є-зокераміческім резонатором Q з резонансною частотою 215 Гц \u003d 32 кГц ( "часовий кварц"). Ланцюг R1C1 перешкоджає порушенню генератора на вищих гармоніках. Через резистор R2 замикається ланцюг ООС, через резонатор Q-ланцюг ПОС. Генератор відрізняється простотою, малим споживаним струмом, надійно працює при напрузі живлення 3 ... 15 В, не містить підлаштування елементів і надто високоомних резисторів. Вихідна частота генератора - близько 32 кГц.

Пристрій для формування сигналів (мал. 32)

Пристрій для формування сигналів зібраний на довічним лічильнику D2 і D-тригері D3.1. Тип довічного лічильника непринциповий, головна його задача - поділити тактову частоту на 2, на 4 і на 8, отримавши таким чином, меандри з частотами 16, 8 і 4 кГц відповідно. Несуча частота для збудження випромінюючих котушок-4 кГц. Сигнали з частотами 16 і 8 кГц, впливаючи на D-тригер D3.1, формують на його виході меандр подвоєною по відношенню до несучої частоти 8 кГц, зрушений на 90 ° щодо вихідного сигналу 8 кГц довічного лічильника. Такий зсув необхідний для нормальної роботи синхронного детектора, так як таке ж зрушення має корисний сигнал неузгодженості подвоєною частоти на виході датчика. Друга половинка мікросхеми з двох D-тригерів - D3.2 в схемі не використовується, але її незадіяні входи повинні обов'язково бути підключені або до логічної 1, або до логічного 0 для нормальної роботи, що і зображено на схемі.

ПІДСИЛЮВАЧ ПОТУЖНОСТІ (РІС. 32)

Підсилювач потужності на вигляд таким і не здається і представляє всього лише потужні інвертори D1.4 і D1.5, які в протифазі розгойдують коливальний контур, що складається з послідовно-паралельно включених випромінюючих котушок датчика і конденсатора С2. Зірочка близько номіналу конденсатора означає, що його значення вказано орієнтовно і що його треба підібрати при налагодженні. Незадіяний інвертор D1.6, щоб не залишати його вхід непідключеним, інвертує сигнал D1.5, але практично працює "вхолосту". Резистори R3 і R4 обмежують вихідний струм інверторів на допустимому рівні і разом з коливальним контуром утворюють високодобротних смуговий фільтр, завдяки чому форма напруги і струму в випромінюючих котушках датчика практично збігається з синусоїдальної.

Мал. 33. Принципова електрична схема - частина II. приймальний підсилювач

Приймального підсилювача (РІС 33)

Приймальний підсилювач підсилює різницевий сигнал, що надходить з прийомних котушок датчика, що утворюють разом з конденсатором СЗ коливальний контур, настроєний на подвоєну частоту 8 кГц. Завдяки подстроечного-му резистори R5 віднімання сигналів приймальних котушок проводиться з деякими ваговими коефіцієнтами, які можуть змінюватися переміщенням движка резистора R5. Цим досягається компенсація неідентичних параметрів приймальних обмоток датчика і мінімізація його "компасні". Приймальний підсилювач двохкаскадний. Він зібраний на ОУ D4.2 і D6.1 з паралельною ОС по напрузі. Конденсатор С4 зменшує посилення на вищих частотах, запобігаючи тим самим перевантаження підсилювального тракту високочастотними наведеннями від силових мереж та інших джерел. Ланцюги корекції ОУ - стандартні.

СИНХРОННИЙ Детектор (РІС. 33)

Синхронний детектор виконаний на ОП D6.2 за типовою схемою. Як аналогових ключів використовується мікросхема D5 КМОП мультиплексора-демультиплексор 8 на 1 (рис. 32). Його цифровий адресний сигнал перебирається тільки в молодшому розряді, забезпечуючи послідовну комутацію точок К1 і К2 на загальну шину. Випрямлений сигнал фільтрується конденсатором С8 і посилюється ОУ D6.2 з одночасним додатковим ослабленням НЕ-відфільтрованих ВЧ складових ланцюгами R14C11 і R13C9. Ланцюг корекції ОУ - стандартна для використаного типу.

ІНДИКАТОР (РІС. 33)

Індикатор представляє собою мікроамперметр з нулем посередині шкали. У індикаторної частини може з успіхом використовуватися схемотехніка описаних раніше металошукачів інших типів. В тому числі, в якості індикатора можна використовувати і конструктив металошукача за принципом електронного частотоміра. В цьому випадку його LC-генератор замінюється на RC-генератор, а вимірюється вихідна напруга через резистивний дільник подається на частотозадающіх ланцюг таймера. Детальніше про це можна почитати на сайті Юрія Колоколова.

Мікросхема D7 стабілізує однополярної напруга живлення. За допомогою ОУ D4.1 створюється штучна середня точка харчування, що дозволяє використовувати звичайну двополярного схемотехнику для ОУ. Керамічні блокують конденсатори С18-С21 змонтовані в безпосередній близькості від корпусів цифрових мікросхем D1, D2, D3, D5.

Типи деталей і конструкція

Типи використаних мікросхем вказані в табл. 6.

Таблиця 6. Типи використаних мікросхем

Замість мікросхем серії К561 можливе використання мікросхем серії К1561. Можна спробувати застосувати деякі мікросхеми серії К176 або зарубіжні аналоги серій 40ХХ і 40ХХХ.

Здвоєні операційні підсилювачі (ОП) серії К157 можна замінити будь-якими подібними по параметрам ОУ загального призначення (з відповідними змінами в цоколевке і ланцюгах корекції).

До застосовуваним у схемі диференціального магнитометра резисторам не пред'являється особливих вимог. Вони лише повинні мати міцну і мініатюрну конструкцію і бути зручні для монтажу. Номінал розсіюваною потужності 0,125 ... 0,25 Вт.

Потенціометри R5, R16 бажані багатооборотні для зручності точної настройки приладу. Рукоятка потенціометра R5 повинна бути виготовлена \u200b\u200bз пластику і повинна мати достатню довжину, щоб дотику руки оператора при налаштуванні не викликали зміни показань індикатора за рахунок наведень. Конденсатор С16 - електролітичний будь-якого малогабаритного типу.

Конденсатори коливальних контурів С2 * і СЗ * складаються з декількох (5-10 шт.) Конденсаторів, включених паралельно. Налаштування контура в резонанс здійснюється підбором кількості конденсаторів і їх номіналу. Рекомендований тип конденсаторів К10-43, К71-7 або зарубіжні термостабільні аналоги. Можна спробувати використовувати звичайні керамічні або металлопленоч-ні конденсатори, однак, при коливаннях температури доведеться частіше підлаштовувати прилад.

Мікроамперметр - будь-якого типу на струм 100 мкА з нулем посередині шкали. Зручні малогабаритні мікроамперметра, наприклад, типу М4247. Можна використовувати практично будь-який мікроамперметр, і навіть міліамперметр - з будь-яким межею шкали. Для цього треба відповідним чином скоригувати номінали резисторів R15-R17. Кварцовий резонатор Q - будь-який малогабаритний часовий кварц (аналогічні використовуються також в портативних електронних іграх).

Вимикач S1 - будь-якого типу, малогабаритний.

Мал. 34. Конструкція датчика-антени

Котушки датчика виконані на круглих феритових сердечниках діаметром 8 мм (використовуються в магнітних антенах радіоприймачів СВ і ДВ-діапазонів) і довжиною близько 10 см. Кожна обмотка складається з рівно і щільно намотаних в два шари 200 витків мідного обмотувального дроту діаметром 0,31 мм в подвійний лаково-шовкової ізоляції. Поверх всіх обмоток кріпиться шар фольги екрану. Краї екрана ізолюються одна від одної для запобігання утворення короткозамкнутого витка. Висновок екрану виконується мідним лудженим одножильним проводом. У разі екрану з алюмінієвої фольги цей висновок накладається на екран на всю його довжину і щільно примотується ізоляційною стрічкою. У разі екрану з мідної або латунної фольги висновок припаивается.

Кінці феритових сердечників закріплені у фторопластових центрирующих дисках, завдяки яким кожна з двох половинок датчика утримується всередині пластикової труби з текстоліту, що служить корпусом, як це схематично зображено на рис. 34. Довжина труби - близько 60 см. Кожна з половинок датчика розташована біля кінця труби і додатково фіксується силіконовим гермет-ком, яким заповнюється простір навколо обмоток і їх сердечників. Заповнення здійснюється через спеціальні отвори в корпусі-трубі. Спільно з фторопластовим шайбами \u200b\u200bтакий герметик надає кріпленню тендітних феритових стрижнів необхідну пружність, перешкоджає їх розтріскування при випадкових ударах.

налагодження приладу

1. Переконатися в правильності монтажу.

2. Проконтролювати споживаний струм, який не повинен перевищувати 100 мА.

3. Перевірити правильність роботи, що задає і інших елементів формування імпульсних сигналів.

4. Налаштувати коливальні контуру датчика. Випромінюючий - на частоту 4 кГц, приймальний - на 8 кГц.

5. Переконатися в правильності роботи підсилювального тракту і синхронного детектора.

Робота з приладом

Методика настройки і роботи з приладом наступна. Виходимо в місце пошуків, включаємо прилад і починаємо обертати антену-датчик. Найкраще у вертикальній площині, що проходить через напрямок північ-південь. Якщо датчик приладу на штанзі, то годі й обертати, а розгойдувати наскільки це дозволяє робити штанга. Стрілка індикатора буде відхилятися (компасний ефект). За допомогою змінного резистора R5 намагаємося мінімізувати амплітуду цих відхилень. При цьому буде "з'їжджати" середня точка показань мікроамперметра і її треба буде теж підлаштовувати іншим змінним резистором R16, який призначений для установки нуля. Коли "компасний" ефект стане мінімальним, прилад вважається відбалансоване.

Для малих об'єктів методика пошуків за допомогою диференціального магнитометра не відрізняється від методики роботи зі звичайним металошукачем. Біля об'єкта стрілка може відхилитися в будь-яку сторону. Для великих об'єктів стрілка індикатора буде відхилятися в різні боки на великому просторі.